Đồ án: Hệ thống trộn sơn và đóng nắp tự động sử dụng PLC Siemens S7-1200

Báo cáo đồ án chi tiết về hệ thống trộn sơn và đóng nắp tự động. Ứng dụng PLC Siemens S7-1200, thiết kế cơ khí và lập trình giám sát SCADA.

• Tác giả: Phạm Phi Công
• Người hướng dẫn: Th.S Nghiêm Hoàng Hải
• Trường học: Trường Đại Học Công Nghệ Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện - Điện Tử
• Đề tài: Hệ Thống Trộn Sơn Và Đóng Nắp Sử Dụng PLC Siemens S7-1200
• Loại tài liệu: Đồ Án Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới thiệu về hệ thống trộn sơn tự động PLC Siemens S7 1200

Hệ thống trộn sơn tự động sử dụng PLC Siemens S7-1200 là giải pháp công nghệ hiện đại trong lĩnh vực sản xuất và chế biến sơn. Hệ thống này được thiết kế để tự động hóa quá trình trộn sơn và đóng nắp, giúp giảm đáng kể sức lao động thủ công và nâng cao hiệu suất sản xuất. PLC S7-1200 của Siemens là một bộ điều khiển lập trình độc lập, được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng công nghiệp nhờ tính ổn định, độ tin cậy cao và khả năng xử lý dữ liệu nhanh chóng. Đồ án này trình bày một cách khái quát về cấu trúc, nguyên lý hoạt động và ứng dụng thực tiễn của hệ thống trộn sơn trong sản xuất công nghiệp hiện đại.

1.1. Khái niệm về hệ thống tự động hóa sơn

Hệ thống tự động hóa sơn là một giải pháp công nghệ tiên tiến cho phép trộn sơn tự động theo các công thức định trước với độ chính xác cao. Hệ thống sử dụng PLC Siemens S7-1200 để điều khiển các bộ phận cơ khí như xy lanh khí nén, van điện từ và các thiết bị đo lường. Quá trình trộn sơn được thực hiện một cách máy móc, loại bỏ sai sót do con người gây ra và đảm bảo chất lượng sản phẩm đồng nhất.

1.2. Ưu điểm của công nghệ PLC trong điều khiển hệ thống

PLC Siemens S7-1200 mang lại nhiều ưu điểm vượt trội cho hệ thống trộn sơn tự động. Bộ điều khiển này có khả năng xử lý logic phức tạp, hỗ trợ giao tiếp dữ liệu nhanh chóng và cho phép giám sát hệ thống thông qua giao diện SCADA. Ngoài ra, PLC S7-1200 tiêu thụ điện năng thấp, kích thước nhỏ gọn và dễ lắp đặt, phù hợp với các ứng dụng công nghiệp quy mô nhỏ đến trung bình.

II. Cơ sở lý thuyết về sơn và quá trình pha trộn

Sơn là một chất liệu phức tạp được tạo thành từ nhiều thành phần khác nhau như chất kết dính, chất điều chỉnh, chất chứa và sắc tố. Quá trình pha màu sơn đòi hỏi sự kết hợp chính xác các thành phần theo những công thức nhất định để đạt được màu sắc, độ bền và các tính chất kỹ thuật mong muốn. Công nghệ sản xuất sơn hiện đại yêu cầu kiểm soát kỹ lưỡng về tỷ lệ thành phần, thời gian trộn và nhiệt độ. Hệ thống trộn sơn tự động giúp chuẩn hóa quá trình này, đảm bảo mỗi lô sơn sản xuất đều có chất lượng ổn định và độ chính xác cao.

2.1. Thành phần cơ bản của sơn

Sơn bao gồm bốn thành phần chính: chất kết dính (resin), dung môi, sắc tố (pigment) và các phụ gia. Chất kết dính tạo nên lớp phim sơn bảo vệ bề mặt. Dung môi làm loãng sơn để dễ sử dụng. Sắc tố cung cấp màu sắc và khả năng che phủ. Pha trộn sơn cần tuân theo công thức chính xác để đạt được tính chất mong muốn.

2.2. Quy trình pha màu sơn trong sản xuất

Quy trình pha trộn sơn bao gồm các bước: chuẩn bị thành phần, đo lường chính xác tỷ lệ, trộn sơn với tốc độ và thời gian định trước, kiểm tra chất lượng. Hệ thống tự động hóa sử dụng PLC Siemens S7-1200 để kiểm soát toàn bộ quy trình, từ tính toán lượng chất liệu cần thiết cho đến điều khiển các van điều chỉnh lưu lượng.

III. Các thành phần kỹ thuật của hệ thống

Hệ thống trộn sơn tự động PLC Siemens S7-1200 bao gồm nhiều thành phần kỹ thuật quan trọng hoạt động phối hợp với nhau. PLC S7-1200 là bộ não điều khiển toàn bộ hệ thống, nhận tín hiệu từ các cảm biến, xử lý logic và phát lệnh điều khiển đến các thiết bị thực thi. Cơ cấu xy lanh khí nén cung cấp lực và chuyển động cho các cơ chế trộn và đóng nắp. Van điện từ điều khiển hướng và lưu lượng khí nén. Circuit Breaker (CB) bảo vệ hệ thống điện khỏi quá tải. Các nút nhấn, công tắc, đèn báo cung cấp giao diện điều khiển và phản hồi trực quan cho người vận hành.

3.1. PLC Siemens S7 1200 và chức năng điều khiển

PLC Siemens S7-1200 là bộ điều khiển lập trình được thiết kế để xử lý các ứng dụng công nghiệp phức tạp. Nó có bộ nhớ đủ lớn để lưu trữ chương trình điều khiển, hỗ trợ nhiều loại tín hiệu đầu vào/đầu ra. Hệ thống trộn sơn tự động sử dụng PLC này để quản lý toàn bộ quá trình sản xuất, từ xác định công thức pha màu đến kiểm soát thời gian và lưu lượng trộn.

3.2. Cơ cấu cơ khí và thiết bị khí nén

Cơ cấu xy lanh-khí nén là bộ phận thực thi chịu trách nhiệm tạo chuyển động cơ học cho hệ thống. Van điện từ được điều khiển bởi PLC S7-1200 để điều phối lưu lượng khí nén. Circuit Breaker đảm bảo an toàn cho hệ thống điện. Nút nhấn, công tắc, đèn báo giúp người vận hành dễ dàng kiểm soát và theo dõi trạng thái hoạt động của hệ thống.

IV. Ứng dụng và triển khai hệ thống trong thực tế

Hệ thống trộn sơn tự động PLC Siemens S7-1200 đã được áp dụng thành công trong các nhà máy sản xuất sơn và các ngành công nghiệp liên quan. Hệ thống giúp tăng hiệu suất sản xuất lên đáng kể, giảm lãng phí nguyên liệu và nâng cao chất lượng sản phẩm cuối cùng. Với phần mềm TIA Portal, kỹ sư có thể dễ dàng lập trình và điều chỉnh các tham số hoạt động. Giao diện SCADA cung cấp khả năng giám sát thời gian thực, lưu trữ dữ liệu sản xuất và phát hiện lỗi kịp thời. Việc tích hợp công nghệ tự động hóa không chỉ giảm chi phí nhân công mà còn đảm bảo an toàn lao động và tính nhất quán trong sản xuất.

4.1. Lợi ích kinh tế từ hệ thống tự động hóa

Hệ thống trộn sơn tự động mang lại nhiều lợi ích kinh tế đáng kể. Nó giảm sức lao động thủ công, từ đó làm giảm chi phí nhân công dài hạn. Độ chính xác cao trong trộn sơn giảm thiểu lãng phí nguyên liệu và tăng hiệu suất sản xuất. Tốc độ xử lý nhanh của PLC Siemens S7-1200 cho phép sản xuất nhiều lô sơn hơn trong cùng thời gian.

4.2. Tương lai và phát triển công nghệ

Tương lai của hệ thống trộn sơn tự động hứa hẹn những cải tiến thêm nữa với sự phát triển của công nghệ IoT và kết nối thông minh. Việc tích hợp AI và machine learning có thể giúp tối ưu hóa công thức pha màu dựa trên dữ liệu lịch sử. PLC Siemens S7-1200 có khả năng tương thích với các công nghệ mới, giúp hệ thống có thể nâng cấp và mở rộng chức năng theo thời gian.

Trích đoạn nội dung tài liệu

đặt vấn đề dẫn nhập, lý do chọn đề tài, mục tiêu, nội dung nghiên cứu, các giới hạn thông số và bố cục đồ án. ­ Chương 2: Cơ sở lý thuyết Lý thuyết về sơn, các thiết bị trong hệ thống và lý thuyết chuẩn truyền thông Modbus trong công nghiệp. ­ Chương 3: Tính toán thiết kế và lựa chọn thiết bị Yêu cầu của hệ thống, tính toán thiết kế phần cứng, lựa chọn thiết bị, sơ đồ khối, lưu đồ giải thuật điều khiển. ­ Chương 4: Thi công hệ thống Kết quả thi công phần cứng, mô tả giải thuật, chương trình điều khiển.

­ Chương 5: Kết quả thực hiện, kết luận và hướng phát triển. Trình bày kết quả vận hành và đánh giá kết quả thực hiện. Kết luận chung về ưu điểm và hạn chế của đề tài, khẳng định những kết quả đóng góp đạt được, đề xuất ý kiến để cải thiện khuyết điểm và định hướng phát triển. 5 Báo Cáo Đồ Án Tốt Nghiệp CHƯƠNG 2.1 Cơ sở lý thuyết về màu sơn và pha trộn sơn 2.1 Tổng quan về sơn Sơn là một hỗn hợp lỏng đồng nhất, hoặc có thể hóa lỏng được, hoặc thành phần mastic, để khi quét lên bề mặt một lớp mỏng, nó sẽ chuyển thành một màng rắn, trong đó chất tạo màng liên kết với các chất màu tạo màng liên tục bám trên bề mặt vật chất.

Hỗn hợp được điều chỉnh với một lượng phụ gia và dung môi tùy theo theo tính chất của mỗi loại sản phẩm. Sơn thường được sử dụng rộng rãi để: ­ Bảo vệ ­ Trang trí ­ Cung cấp kết cấu cho các đối tượng Chủ yếu trên thị trường là sơn được bán dưới dạng sơn nước, có nhiều màu sắc phong phú và đa dạng, có đặc tính che phủ, bám dính được nhiều bề mặt khác nhau.3 Hình ảnh về sơn ❖ Các thành phần chính của sơn: Nhựa (40% - 60%): Alkyd, Acrylic, Epoxy, Polyurethane, Fluorocarbon. - Tạo độ kết dính cho sơn. - Tạo độ bền cho màn sơn.

6 Báo Cáo Đồ Án Tốt Nghiệp - Tạo liên kết các thành phần của sơn. Bột màu (7% - 40%): bột màu gốc, bột màu bổ sung, bột chống gỉ. ­ Tạo độ bền và độ cứng của màng sơn. Phụ gia (0% - 5%): Là các chất tăng độ bền cho sơn bao gồm độ bền màu sắc, khả năng chịu thời tiết, tăng độ bóng cứng và độ phủ cho sơn, tăng thời gian bảo quản của sơn, một số tính chất đặc biệt khác.

Bao gồm: ­ Chất làm khô tạo sức căng bề mặt. ­ Chất chống nấm mốc. Dung môi (10% - 30%): Hòa tan nhựa và bột màu.2 Công nghệ sản xuất sơn Hình 2.4 Quy trình công nghệ sản xuất sơn Dựa vào sơ đồ trên, ta có thể hiểu được một quy trình sản xuất sơn bao gồm các công đoạn như sau: Chuẩn bị nguyên liệu (bột tạo màu, nhựa, dung môi hòa tan, các chất phụ gia đã được nghiền và lọc) → Pha trộn theo tỉ lệ → Khuấy → Pha loãng → Chiết rót → Dán nhãn → Đóng thùng → Vận chuyển → Tiêu thụ. 7 Báo Cáo Đồ Án Tốt Nghiệp Trong đó có 4 khâu sản xuất như sau: Ủ muối: Các nguyên liệu gồm bột màu (oxit kim loại như oxit titan, thiếc, chì…), bột độn (CaCO3, silica, đất sét.), phụ gia (chất phân tán, chất hoạt động bề mặt, chất tạo bọt.), một phần chất tạo màng là nhựa latex (vinyl-acrylic, styrene acrylic) và dung môi hữu cơ (nước sạch) được đưa vào thùng muối ủ và khuấy dưới tốc độ thấp.

Các nguyên liệu này được muối ủ trong thời gian vài giờ để đủ độ thấm ướt chất tạo màng và dung môi, tạo thành dạng hỗn hợp nhão (paste) cho công đoạn nghiền tiếp theo. Nghiền sơn: Đây là công đoạn chính trong quy trình sản xuất sơn nước. Hỗn hợp nhão các nguyên liệu (paste) được chuyển vào thiết bị nghiền sơn. Quá trình nghiền sơn tạo thành dung dịch dạng chất lỏng mịn, nhuyễn.

Thời gian nghiền có thể kéo dài phụ thuộc vào loại bột màu, bột độn và yêu cầu về độ mịn của sơn. Trong giai đoạn này, thiết bị nghiền sử dụng nhiều nước làm lạnh thiết bị để đảm bảo paste trong quá trình nghiền không bị nóng lên nhiều nhằm khống chế lượng dung môi bị bay hơi ở nhiệt độ cao và tác động xấu đến các thành phần paste nghiền. Nước phải được làm nguội đến 5 – 7oC trước khi đưa vào máy nghiền. Khuấy sơn: Sau khi các nguyên liệu (Paste) đã được nghiền đến độ mịn theo yêu cầu sẽ chuyển sang công đoạn khuấy sơn.

Công đoạn này tạo thành sản phẩm cuối cùng của quá trình sản xuất sơn. Nguyên liệu được chuyển sang bể khuấy, có thể vài lô hỗn hợp paste thành phẩm được đưa vào 1 bể khuấy chung. Bể khuấy có 1 máy khuấy liên tục trong quá trình khuấy sơn. Tại đây paste sơn đã đạt độ mịn được bổ xung thêm đủ lượng chất tạo màng, dung môi, các phụ gia cần thiết.

Khi đã đạt độ đồng nhất thì cũng là lúc sản phẩm hoàn tất và được chuyển sang công đoạn đóng thùng. Đóng gói thành phẩm: Công đoạn này có thể là dây chuyền tự động hoặc thủ công. Bao bì đựng sơn nước thường là bao bì nhựa hoặc kim loại tùy vào sản phẩm sơn mà công ty sơn phát hành. Thành phẩm sẽ được luân chuyển vào kho chứa.

Quá trình nhập kho được tiến hành chặt chẽ theo từng lô hàng. Các kho sản phẩm phải 8 Báo Cáo Đồ Án Tốt Nghiệp được trang bị đầy đủ các phương tiện phòng chống cháy nổ vì nguy cơ cháy nổ rất cao đối với sản phẩm sơn dung môi hữu cơ. Ngoài ra còn có một số quá trình phụ trợ như vệ sinh thùng chứa sơn để đảm bảo chất lượng sản phẩm, làm mát để dung môi không bị bay hơi, v.v… ❖ Một số dây chuyền, nhà máy sản xuất sơn hiện nay Hình 2.5 Nhà máy sản xuất sơn Caparol, Dubai Hình 2.6 Nhà máy sản xuất sơn ICI Dulux, KCN Mỹ Phước 2, Bình Dương 9 Báo Cáo Đồ Án Tốt Nghiệp Hình 2.7 Máy pha sơn hãng Dulux 2.3 Quy luật pha màu sơn ❖ Khái niệm màu sắc Theo quang học: Khi luồng ánh sáng trắng đi qua lăng kính mặt trời thì tách ra 7 sắc gồm: Đỏ, cam, vàng, lục, lam, chàm, tím. Đó là sự hiển thị của các loại ánh sáng có bước sóng dài ngắn khác nhau.

Do đó về mặt quang học, ta có thể khẳng định màu sắc chính là ánh sáng. Màu sắc mà chúng ta nhìn thấy từ mọi vật đó là sự phản chiếu của ánh sáng từ vật vào mắt.8 Thang màu từ đỏ tới tím của 7 sắc cầu vồng ❖ Ba yếu tố cơ bản của màu sắc - Sắc (Tone): Độ đậm hoặc nhạt của một màu nào đó khi pha trắng hoặc pha đen. - Quang độ (Value): Độ sáng hoặc tối của một màu, là tác dụng liên kết giữa các độ đậm nhạt này với độ đậm nhạt kia. Ví dụ: Trong vòng thuần sắc, vàng là màu có đỉnh quang độ sáng nhất, tím là màu có đỉnh quang độ tối nhất do sự đập mắt.

- Cường độ (Intensity): Là mức độ mạnh hay yếu của một màu nào đó (thị giác cảm nhận được độ tươi thắm) do sự kích thích thị giác. 10 Báo Cáo Đồ Án Tốt Nghiệp Hình 2.9 So sánh tương quan giữa quang độ và cường độ của hai màu Ví dụ: Vàng - Quang độ sáng. Cam - Cường độ mạnh. ❖ Các quy luật pha màu Có 2 quy luật pha màu là: Cộng màu và trừ màu ➢ Quy luật cộng màu: Ba màu sơ cấp (hay màu cơ bản) trong ánh sáng là đỏ (Red - R), lục (Green - G) và lam (Blue - B).

­ Ánh sáng đỏ hòa với ánh sáng lục cho ánh sáng vàng (Yellow - Y). ­ Ánh sáng lục hòa với ánh sáng lam cho ánh sáng màu da trời (Cyan - C). ­ Ánh sáng lam hòa với đỏ cho ánh sáng tím hồng (Magenta - M). Tím hồng là màu khá gần với màu tím (Violet).

Tím hồng (Magenta) là màu không có trong phổ ánh sáng tự nhiên. Nếu hòa cả 3 chùm ánh sáng sơ cấp R, G, B với nhau ta được ánh sáng trắng. Đó là quy luật cộng màu. 11 Báo Cáo Đồ Án Tốt Nghiệp Hình 2.10 Quy luật cộng màu hệ màu RGB ➢ Quy luật trừ màu: Trong màu hóa chất như mực in, phẩm nhuộm, sơn thì ngược lại: Ba màu sơ cấp là tím hồng (Magenta - M), da trời (Cyan - C), và vàng (Yellow - Y) ­ Tím hồng (M) hòa da trời (C) cho lam (Blue - B) ­ Da trời (C) hòa với vàng (Y) cho lục (Green - G) ­ Vàng (Y) hòa với tím hồng (M) cho đỏ (Red - R) Như vậy, trong màu hóa chất thì đỏ, lục và lam lại là 3 màu thứ cấp.

Hòa 3 màu sơ cấp hóa chất M, C, Y với nhau về mặt nguyên tắc ta được màu đen. Nhưng vì các màu hóa chất không tuyệt đối tinh khiết, nên vẫn cần có màu đen riêng. Vì thế, trong in ấn, chỉ cần 4 màu da trời (C) tím hồng (M) vàng (Y) đen(K) (trong đó K = key, tức màu đen), là in ra được tất cả các màu, trừ màu trắng (là màu của giấy). Tại sao màu hóa chất lại tuân theo quy luật trừ màu? Đó là bởi vì vật chất bản thân nó không có màu sắc (trừ những vật tự phát sáng) mà chỉ tán xạ và hấp thụ các bước sóng ánh sáng đơn sắc trong ánh sáng chiếu vào nó.

Một vật có màu đỏ là vì khi ánh sáng trắng chiếu vào nó, nó hấp thụ các ánh sáng lục và lam, chỉ phản chiếu ánh sáng đỏ vào mắt ta. Một vật có màu đen khi hấp thụ tất cả ánh sáng chiếu vào nó. Một vật có màu trắng vì nó phản xạ tất cả các bước sóng ánh sáng. 12 Báo Cáo Đồ Án Tốt Nghiệp Hình 2.11 Sự khác biệt khi kết hợp 2 màu của sơn và ánh sáng (Vàng + Lam) Hình 2.12 Sự khác biệt khi kết hợp 2 màu của sơn và ánh sáng (Lam + Đỏ) Hình 2.13 Sự khác biệt khi kết hợp 2 màu của sơn và ánh sáng (Đỏ + Lục) 13 Báo Cáo Đồ Án Tốt Nghiệp ❖ Lựa chọn quy luật pha màu cho đề tài Trên thực tế các hạt màu trong màu sơn không phải là các màu sơ cấp lý tưởng.

Vì thế bảng pha màu (hay vòng tròn màu sắc) chỉ có tác dụng định hướng. Chỉ các hãng sản xuất sơn mới nghiên cứu và thực sự hiểu màu pha trộn với nhau như thế nào để tạo thành màu khác, dựa trên kinh nghiệm của các chuyên gia và tự tạo ra được một công thức pha màu sơn cho riêng mình.